邓官华 蓝茂英 段 松 王佳佳 胡 灿 辛学刚

1(广东三九脑科医院，广州 510510)2(南方医科大学生物医学工程学院，广州 510515)3(第二军医大学第一附属医院上海长海医院，上海 200433)4(华南理工大学医学院，广州 510006)

引言

磁共振介电特性成像(magnetic resonance electrical properties tomography, MR EPT)是通过检测B1场的空间分布来实现人体组织介电特性成像的新兴MR成像技术[1-4]。当人体组织的生理或病理状态发生改变时，组织的介电特性会发生变化。早有科学文献指出，人体癌变组织与对应正常组织的介电特性往往存在较大差异[5-9]。通过MR EPT技术实现人体组织的介电特性成像，有可能为癌症的早期诊断提供有价值的早期定位信息[1-4]。此外，MR EPT技术还可以用于计算高场和超高场MR的比吸收率(specific absorption rate, SAR)[10]，实现病人的射频安全监控，降低人体组织热损伤的机率。作为MR EPT基础之一的B1mapping技术，其B1场的成像质量直接影响着MR EPT算法的精度。合适的B1mapping技术对于后续的MR EPT算法至关重要。从测量原理上可将B1mapping技术分为两大类[11-12]：一是基于磁共振信号幅值的B1mapping技术，该类方法是通过测量磁共振信号强度的变化，来算出目标区域B1场的空间分布，包括双角度法(double angle methods，DAM)[13-14]，快速预饱和法(saturated turbo flash，satTFL)[15]等；另一类是基于磁共振信号相位的B1mapping技术，该类方法是通过检测磁共振信号相位的变化，来算出目标区域B1场的空间分布，包括bloch siegert频移法(bloch siegert shift，BS)[16]等。对于不同介电特性组织而言，上述B1mapping技术的误差规律非常关键。例如，在脑脊液等高介电特性组织中，应选取何种B1mapping技术，才能更准确测量出人体组织真实B1场空间分布。然而目前为止，还没有相关文献报道。这里将重点研究DAM和satTFL两种B1mapping技术在不同介电特性体模和人体头部中的应用，并利用FDTD仿真获得的B1场分析上述两种B1mapping技术在不同介电特性组织B1场成像中的适用性，为推动MR EPT技术的实用化提供基础研究支持。

1 原理与方法

1.1 B1 mapping技术基本原理

(1)

(2)

(3)

可将式(2)简化为

(4)

1.2 B1 mapping技术

1.2.1双角度法

双角度法(double angle method，DAM)[13-14]脉冲序列由翻转角为α和2α的脉冲组成，如图1所示，可以通过自旋回波序列(SE)或者梯度回波序列(GRE)来实现。由Bloch方程，可知自旋回波序列(SE)的信号方程[18-19]为

(5)

图1 双角度脉冲序列

当TE≪T1≪TR时，式(5)可化简为

(6)

式中，CSE(r)为与组织特性、射频脉冲参数相关的变量。

(7)

若有

α2(r)=2α1(r)

(8)

则式(7)可化简为

(9)

联合式(4)、(9)可得

(10)

对于梯度回波序列(GRE)而言，同样由Bloch方程可得其信号强度为

(11)

(12)

当T1≪TR时，E1=0时，式(12)可化简为

(13)

如自旋回波脉冲序列，梯度回波脉冲序列同样需要采集两幅翻转角不同，其他参数设置相同的梯度回波序列图像，并由式(13)得

(14)

结合式(4)、(8)则有

(15)

合并式(10)、(15)，即有

(16)

1.2.2快速预饱和法

快速预饱和法(saturated turbo flash， satTFL)[15]序列同样由两组脉冲序列组成：一是采集质子密度加权图像的S0脉冲序列，二是在S0脉冲序列基础上形成的预饱和Ssat脉冲序列。如图2所示，则易知翻转角α为

(17)

图2 快速预饱和脉冲序列

1.3 方法

SEMCAD软件目前已广泛应用于MRI电磁场分析计算方面的研究，能够准确地计算出加入人体或者其他复杂介质负载后B1场的分布，其计算结果的准确性已经得到了同行的广泛认可[20-29]。本研究使用基于FDTD算法的SEMCAD软件(www.speag.com，版本号为14.6)进行体模和人体头部的B1场仿真计算，并以FDTD仿真获取的B1场为基准，评估DAM、satTFL两种B1mapping技术在不同介电特性组织中实测B1场成像的适用性。

1.3.1FDTD电磁仿真B1场

本研究首先在SEMCAD环境下建立线圈、均匀体模、人体头部电磁仿真模型(见图3)[20-29]，其次根据实测中所用体模、人体头部的介电特性值来设定体模和人体头部电磁仿真模型的介电特性值，最后利用FDTD算法计算体模和人体头部电磁仿真模型的B1场值。

图3 低通鸟笼线圈及相应的电磁仿真模型。(a)低通鸟笼线圈；(b)双圆柱体模模型；(c)人体头部模型

1.3.1.1建立电磁仿真模型

1)鸟笼线圈模型。本实验采用临床上广泛应用于MRI系统的鸟笼线圈，作为仿真计算的发射线圈[29]。如图3(a)所示，线圈直径为42 cm，长度为30 cm，主要由16根铜棒及加载在各铜带中间位置的16个激励源和上下两端连接铜棒的32个调谐电容组成。鸟笼线圈选取的激励源为电流源，采用正弦波，相邻电流源的相位相差22.5°。此外，通过调整调谐电容的大小使鸟笼线圈的工作频率为128 MHz。

2)均匀体模电磁仿真模型。在鸟笼线圈模型的基础上，建立均匀体模电磁仿真模型[20]。体模电磁仿真模型的大小及其介电特性根据实测中所用体模的大小和介电特性来设置。如图3(b)所示，两个圆柱形均匀体模(直径=6 cm，高度=15 cm)位于鸟笼线圈的几何中心，其介电特性分别为εgreen=3.2，σgreen=0.003 S/m，和εyellow=80.2，σyellow=1.6 S/m。

1.3.1.2仿真计算体模和人体头部B1场

本实验采用基于FDTD算法的SEMCAD商用软件，仿真计算鸟笼线圈与体模、人体头部模型的相互电磁作用。在对体模和人体头部模型的电场和磁场进行计算时，将鸟笼线圈和置于线圈内部的体模、人体头部模型负载构成的整体作为FDTD的计算域，并将其划分成242×257×49共3 047 506个Yee元胞，其中沿着x、y和z方向上的空间歩长范围分别为1.276、1.276和5 mm。待FDTD仿真结束后，将与模型相关的磁场数据(Bx和By)导出，并根据式(1)算出体模和人体头部的B1场值。

1.3.2MR扫描获取实测B1场

实验采用Siemens 3T MAGNETOM Trio磁共振成像系统，体线圈发射，8通道头部线圈接收模式。

1)体模实验。准备两个圆柱形塑料瓶，直径均为6 cm，高度均为15 cm，分别往两个塑料瓶中灌入食用油和生理盐水。室温(22℃)下，通过开端同轴线法[30]，测得当频率为128 MHz时，食用油和生理盐水的介电特性分别为：εoil=3.2，σoil=0.003 S/m和εNaCl=80.2，σNaCl=1.6 S/m。将体模沿着主磁场方向水平放在头部线圈中心位置，采用DAM、satTFL两种序列行横断面扫描。

2)人体头部实验。实验对象为健康的25岁男性志愿者，行颅脑横断面扫描，序列扫描为DAM、satTFL序列，扫描参数见表1。

表1 序列扫描参数

1.3.3多通道阵列接收线圈的数据融合

采取幅度权重的模式，融合N通道阵列接收线圈单元数据[31]，即

(18)

1.3.4B1mapping技术的适用性评价指标

为便于研究感兴趣区域(region of interest, ROI)内不同B1mapping技术的差异性，定义一个B1场缩放系数Ri为

(19)

式中，Ri为第i个像素点的B1场缩放系数，αnom为标称翻转角，αactual为实际翻转角。

同时为了综合考虑整幅图像内每个像素点的情况，定义一个平均相对差异系数，即

(20)

式中，Ri,FDTD为FDTD仿真条件下第i个像素点的B1场缩放系数，N为感兴趣区域内像素点总数。

2 结果

图4 FDTD仿真和实测体模归一化场分布(左为食用油体模，右为生理盐水体模)。(a) FDTD仿真场分布; (b) DAM 场分布；(c) satTFL 场分布。

图5 FDTD仿真和实测人体头部场分布。(a) FDTD仿真场分布；场分布；场分布

3 讨论

MRI领域近年来的新兴的研究热点之一MR EPT技术，主要研究如何利用MR系统本质上是一种非电离电磁场与人体组织的相互作用系统这一根本特点，无创断层提取人体组织介电特性分布信息，进而有可能为癌症的早期诊断提供有价值的定位信息[1-4]。作为MR EPT技术基础之一的B1mapping技术，其B1场成像的质量直接影响着后续MR EPT重建的精度，因而准确、稳健的B1mapping技术对于后续的MR EPT重建至关重要。研究B1mapping技术在不同介电特性负载中的误差规律又是其中的关键。

针对上述问题，笔者研究了DAM、satTFL两种常用的B1mapping技术以不同介电特性体模和人体头部为负载的情况下B1场成像效果，并利用FDTD仿真获得的B1场分析上述两种B1mapping技术在不同负载情况下的适用性。实验结果表明：在采用的低介电特性体模中，DAM实测、satTFL实测的平均相对差异系数MRD分别为8.2%和6.2%，两者的平均相对差异系数MRD均在10%以内；在采用的高介电特性体模中，DAM实测的平均相对差异系数MRD为21.4%，satTFL实测的平均相对差异系数MRD则为8.7%。B1场的分布受负载的介电特性影响，主要分为穿透效应和驻波效应，其中穿透效应受负载的电导率影响，而驻波效应则受负载的相对介电常数影响[14,32-33]。在低相对介电常数、低电导率的食用油体模中，其穿透效应和驻波效应均较小，因而DAM、satTFL实测的平均相对差异系数MRD较小。在高相对介电常数、高电导率的生理盐水体模中，穿透效应及驻波效应均显著，导致DAM实测的平均相对差异系数MRD较大。上述结果表明，在采用低介电特性负载(低相对介电常数、低电导率)中，DAM、satTFL两种B1mapping技术有着相同的适用性，在采用高介电特性的负载(高相对介电常数、高电导率)中，satTFL有着更好的适用性。本研究的成果与Hartwig等的研究[14]结果类似，即在高磁场(3T)强度下DAM方法对B1场的测量精度不高。

考虑到实际上人体组织介电特性不均匀分布对B1场计算的影响，本研究在FDTD仿真过程中，引入DUKE人体模型。如图5所示，在低介电特性组织区域(如脑白质等)，DAM、satTFL实测的平均相对差异系数MRD分别为7.2%和6.4%，然而在高介电特性区域(如脑脊液等)，DAM实测的平均相对差异系数MRD高达21.5%。相关文献表明，DAM方法对于T1较为敏感[13-14,16]，当不满足序列所需条件T1≪TR时，DAM测量精度将有所下降。脑脊液不仅有较长的T1、T2，而且还具有较高介电特性(高相对介电常数、高电导率)，这些因素综合导致在高介电特性组织中DAM实测的平均相对差异系数MRD较大。笔者研究DAM、satTFL两种常用的B1mapping技术在不同介电特性组织中的误差规律，可为推动MR EPT技术的实用化提供基础研究支持。在本研究中，仅分析了上述两种方法在低相对介电常数、低电导率和高相对介电常数、高电导率两种情况下的B1场分布情况，在今后的研究中还需考虑低相对介电常数、高电导率和高相对介电常数、低电导率两种情况下，上述两种B1mapping技术的适应性以及其他B1mapping技术在上述4种情况下的适应性。

4 结论

本研究通过不同介电特性体模和人体头部的B1场成像实验，分析了DAM、satTFL两种B1mapping技术在不同介电特性体模和人体头部B1场成像中的适用性，发现在低介电特性体模和脑白质B1场成像中，采用FDTD仿真、DAM及satTFL 3种方法获得的B1场缩放系数Ri差异较小，且DAM和satTFL的平均相对差异系数MRD在10%以内，然而在高介电特性体模和脑脊液B1场成像中，采用DAM获得的B1场缩放系数Ri要高于采用satTFL和FDTD仿真获得的B1场缩放系数Ri，且有DAM的平均相对差异系数MRD约为21%。本研究的结果可为不同介电特性组织选取合适的B1mapping技术提供参考。例如，在脂肪等低介电特性组织的B1场成像中，DAM、satTFL两种B1mapping技术都具有良好的适用性；然而在脑脊液等高介电特性组织的B1场成像中，satTFL方法的适用性更强。本研究的结果为推动MR EPT技术的实用化提供基础研究支持。

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